太阳能串联.doc

第一章　热量传递
热量传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。
1　导热
导热（又称热传导）是指热量从物体中温度较高的部分传递到温度较低部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程。在导热过程中，物体各部分之间不发生相对的位移。
导热过程在固体、液体和气体中均可以发生。
在导热过程中，热量从物体的高温端传导到低温端。单位时间内通过单位横断面积的热量叫做“热流密度”，用q表示，单位是瓦/米2。热流密度的大小与导热两端的温度差成正比，与热量经过的路程长短（两端间的距离，也就是物体的厚度）成反比，即
q＝λΔt/δ
式中　Δt－高温端温度t1与低温端温度t2之差，即Δt＝t1－t2，℃
δ－物体厚度，米
λ－比例系数，与物体材料的性质有关，称为导热系数（或导热率），瓦/（米·℃）2　对流
对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅能在流体（气体、液体）中发生，而且必然伴随有导热现象。
液体的运动可以靠风机、水泵等机具驱动，也可以是由于流体各部分冷热不同、密度不同所引起。前一种情况叫做强制流动；后一种情况称为自然对流，流体中温度高的部分密度小，温度低的部分密度大，轻者上浮、重者下沉，就发生流体内各部分的相对位移。如果上浮的高温部分收到冷却，就会下降；而若下沉的低温部分得到加热，则要上升。这样就会持续地发生循环流动，也就是自然对流。
工程技术上大量遇到的是流体流过另一物体（通常是固体）的表面时发生的两者之间热量传递过程，称为“对流换热”过程。对流换热是流体的对流与导热联合作用的结果。
对流换热时，单位时间内单位面积（固体表面积）传递的热量q（即热流密度）与温差成正比：
q＝μdΔt＝Δt/Rd
式中　Δt－换热的温差，即流体温度与固体表面温度之差，℃；
μd－比例系数，即对流换热系数，瓦/（米2·℃）；
Rd－对流换热的热阻，米2·℃/瓦，它是对流换热系数的倒数。
单位时间内的对流换热量为
Q＝Fq＝FΔt/ Rd＝FμdΔt
式中　F－换热表面的面积，米2
3　辐射
物体通过电磁波来传递热量的过程称为辐射。辐射能可以在真空中传播，而导热和对流则只能在存在着气体、液体或固体介质时才能进行。
自然界中所有物体都在不停地向四周发出热辐射能，同时又不断地吸收着其他物体发出的热辐射能。辐射与吸收的综合结果是以辐射方式实现了物体之间的热量转移，即发生了“辐射换热”。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停地进行，只是辐射量与吸收量相抵消而已。进行辐射换热时，不仅发生热量传递，而且伴随着能量形式的转换，即热能转换成辐射能发出去和吸收到的辐射能转换成热能。
第二章　太阳热水系统概述
太阳热水系统是利用太阳辐射能加热水的装置，它由集热器、贮水箱、管道、控制设备四部分组成。作为利用太阳能的一个设备整体，也称为太阳热水装置。目前，在市场上广为销售的家用太阳热水器，同样由上述的集热器等四个部分组成。所以家用太阳热水器，实质上是一个最小的太阳热水系统，和采光面积几千平方米的大型太阳热水系统原则上是一样的。在本书中所提到的热水系统，不包括家用单台太阳能热水器。
太阳热水系统按运行方式可分为三种：自然循环系统、直流式系统(储水箱只有热水)和主动循环系统（温差循环有泵）。
太阳热水系统按有无换热器可分为：直接系统和间接系统。直接系统在集热器中直接加热供水，间接系统是利用换热器间接加热供水，间接系统同时也是主动循环系统。

第一节　自然循环式太阳热水系统
自然循环系统是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水系统。这种系统结构简单不需要附加动力，在自然循环中，为了保证必要的热虹吸压头，贮水箱应置于集热器上方，如图2－1所示。

运行过程是水在集热器中受太阳辐射能加热，温度升高，加热后的水从集热器的上循环管进入贮水箱的上部，与此同时，贮水箱底部的冷水由下循环管流入集热器，经过一段时间后，水箱中的水形成明显的温度分层，上层水达到可使用温度。用热水时，由补给水箱向贮水箱底部补充冷水，将贮水箱上层热水顶出使用，其水位由补给水箱内的浮球阀控制。
图2－1　自然循环式热水系统
这是国内最早采用的一种太阳热水系统。其优点是系统结构简单，运行安全可靠，不需要辅助能源，管理方便。其缺点是为了维持必要的热虹吸压头，并防止系统在夜间产生倒流现象，贮水箱必须置于集热器的上方。这正是我国目前大量推广应用的热水系统设计。大型太阳热水系统，不适宜采用这种自然循环方式。因为大型系统的贮水箱很大，要将贮水箱置于集热器上方，在建筑布置和荷重设计上都会带来很多问题。

第二节　直流式太阳热水系统
直流式太阳热水系统是传热工质一次流过集热器加热后便进入储水箱或用水点的非循环热水系统，储水箱的作用仅为储存集热器所排出的热水，直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。
热虹吸型：热虹吸型直流式太阳热水系统由集热器、贮水箱、补给水箱和连接管道组成，如图2－2所示。

图2－2　热虹吸型直流式热水系统 图2－3　定温放水型直流式热水系统

补给水箱的水位由箱中的浮球阀控制，使之与集热器出口（上升管）的最高位置一致。根据连通管的原理，在集热器无阳光照射时，集热器、上升管和下降管均充满水，但不流动。当集热器受到阳光照射后，其内部的水温升高，在系统中形成热虹吸压力，从而使热水由上升管流入储水箱，同时补给水箱的冷水则自动经下降管进入集热器。太阳辐射愈强，则所得的热水温度愈高，数量也愈多。早晨太阳升起一段时间以后，在储水箱中便开始收集到热水。这种虹吸型直流式太阳热水系统的流量具有自动调节功能，但供水温度不能按用户要求自行调节。这种系统目前应用的较少。
定温放水型：为了得到温度符合于用户要求的热水，通常采用定温放水型直流式太阳热水系统，如图2－3所示。该系统在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上的开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定。这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接。系统运行的可靠性，同样决定于电动阀和控制器的工作质量。
直流式太阳热水系统具有很多优点：
A　由于系统的补冷水由自来水直接供给，自来水具有一定的压头，保证了系统的水循环动力，因此系统中不需设置水泵。
B　储水箱可以因地制宜地放在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于储水箱保温，减少热损失。
C　完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混。
D　可以取消补给水箱。
E　系统管理得到大大简化。
F　阴天，只要有一段见晴的时刻，就可以得到一定量的适用热水。
所以，直流式太阳热水系统特别适合于大型太阳热水装置，布置也较为灵活。缺点是要求性能可靠的电磁阀和控制器，从而使系统较为复杂。但由于它具有很多优点，在能够得到性能可靠的电磁阀的条件下，应是一种结构合理、值得推广的太阳热水系统。目前国内有一定的应用。

第三节　主动循环式太阳热水系统
主动循环式太阳热水系统（又称强制循环太阳热水系统）是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。图2－4表示主动循环式太阳热水系统。这种系统在集热器和贮水箱之间管路上设置水泵，作系统中的水循环动力。系统中设有控制装置，根据集热器出口与贮水箱之间的温差控制水泵运转。在水泵入口处，装止回阀，防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失。
主动循环式太阳热水系统使循环动力大大增加，有利于提高热效率，实现热水系统的多种功能及控制，是目前应用较广泛的一种热水系统形式。目前在大型太阳热水工程中，可以用普通太阳热水器串并联组成上述的各种系统，但更常用的是联集管集热器组成各种形式的热水系统。在后面的章节中将根据所用的集热装置的不同来分别叙述。

图2－4　主动循环式热水系统

第三章　系统设计
第一节　家用太阳热水器串并联系统
3.1　系统原理
普通太阳热水器串并联系统，即通过普通家用太阳热水器串并联的组合加以控制器组成的系统。目前，皇明公司对这种热水系统应用的比较普遍，实践证明这种热水系统的运行可靠，故障率低，效果良好，值得推广。其典型的原理图如图3－1所示：
图3－1　普通太阳热水器串并联系统
系统运行过程如下：
a　第一次上水时，手动将浮球箱前的阀门F1打开，冷水进入浮球箱，然后进入太阳热水器中，由于太阳热水器和水位控制箱是连通的，故太阳能热水器水满之后，浮球箱中的浮球阀会自动关闭，停止进水；
b　当经过一天的阳光照射后，打开水箱前的阀门F2，太阳热水器中的热水会进入到工程保温水箱中，冷水再补充到太阳热水器中，这样第二天晚上即可以使用热水，阀门F2以后将永远打开，这样就形成良性循环。即晚上将保温水箱中的热水使用后太阳能热水器中的热水补充进水箱，冷水再补充进太阳能热水器，到了第二天晚上太阳能热水器中的冷水又成了热水，周而复始，实现了热水的供应；
c　工程水箱具有很好的保温效果，保证了热水长期存放而不致使热量散失很多，因而温度不会下降过多。同时工程水箱装有电加热装置，可以通过控制器来控制电加热的工作与停止，保证阴雨天也能供应热水，控制器还有显示水位、水温的功能，便于对热水情况进行了解。
通过对以上典型系统的介绍可以看出，该太阳热水器串并联系统包含有自然循环系统和直流式系统，只不过该直流式系统不是温度控制型的，而是水量控制型的，即保证工程水箱的水常满，下面将对太阳热水器串并联系统应用型式作详细的介绍。
3.2　太阳热水器串并联系统常用型式
太阳热水器串并联系统根据使用的具体情况的不同而有所不同：
3.2.1　简单小型串并联系统，如图3－2所示
图3－2　简易小型串并联系统原理图
此种系统一般为3～5台太阳热水器串并联组成，通过水位控制箱控制上水，往往可带有单独的工程水箱，最后一台热水器带有电加热装置，通过控制仪控制水温水位，并控制电加热。其控制上水也可以由控制仪和电磁阀通过设定水位来实现。这种系统一般应用于供水量少，热水使用不严格的场合。
3.2.2　一般太阳热水器串并联系统，如图3－1所示
其详细组成及运行见图3－1的运行介绍，目前这种型式的太阳热水系统应用较普遍，故障率低，使用可靠。
3.2.3　具有多种功能的串并联太阳热水系统，如图3－3、图3－4所示。
这种热水系统的集热部分与前两种相同，不同的是控制系统中增加了许多功能，其功能如下：
（a）水温水位显示；
（b）水位控制箱自动上水控制系统；
（c）自动电加热；
（d）出水断电；
（e）出水增压（自由落水压不足时，可增加增压泵进行自动控制）；
（f）辅助能源换热（可采用除电以外的油、气辅助能源等）；
（g）管道定温循环或定时循环（保证一开即有热水）。
　　图3－3　定时太阳热水系统图 　3－4　全日制太阳热水系统
3.3　串并联式太阳热水系统设计原则
在进行串并联式太阳热水系统设计时，一般遵循下面的设计思路和原则：
3.3.1　调查用户基本情况
（1）环境条件：包括月均日辐照量、地处纬度、日照时间、环境温度等。
（2）用水条件：用水量（总用水量/天），用水方式（用水时间，用水次数），用水温度，用水位置（水位落差），用水流量。
量
（3）场地情况：场地面积、场地形状、建筑物承载能力，遮挡情况。
（4）水电情况：水压、电压、供应情况、冷水水温。
3.3.2　确定系统的用水量及温度要求（见附页）
一般家庭用水可根据《热水供应设计规范》，按淋浴用水每天每人次40升（40℃）、盆浴用水每人次100升（40℃）选择。对于其它用水场合如学校、宾馆、医院等集体用水，可根据用水频次、用水方式，参考相应的规范标准和用户共同确定。
3.3.3　确定热水器的规格及数量
热水器台数＝每日用水量/热水器容量
（1）设计热水系统时，应根据所选产品的型号、容量和热效率情况而适当的调整；
（2）在能保证安装、摆放的前提下，优先选择大容量的热水器。
3.3.4　热水器的摆放和陈列
（1）方向：集热器摆放面向正南或正南偏西5°；
（2）集热器东西方向之间间隔一般为200mm，以便连接管路；
（3）热水器通过串并联组成系统，考虑到水流阻力因素，串联的热水器一般不超过四台；
（4）同程：集热器组应按同程方式布置成并联，即应使每个集热器的传热介质流入路径与回流路径长度相同，以使流量平均分配；
（5）辅助阀门；
（6）防水：在屋面作混凝土基础或在热水器支腿下面垫1.5mm橡胶板，以免破坏防水。
3.3.5　工程水箱选择及摆放
（1）工程水箱容量根据系统总水量确定，当系统总水量较少时（5吨以下），其水箱容量建议与总用水需求量一致，当系统总水量较大时（5吨以上），水箱容量可适当小一些，约在总水量的50～70％之间，在保证使用效果的前提下有利于降低成本；
（2）工程水箱主要储存热水，其应摆放在承重梁或承重墙上，一般要制作水箱基础，以便于承重和防水；
（3）当需要水箱有特殊功能，如辅助热源、盘管换热、水嘴位置、大小调整、出水增压、管路循环等，需在设计中注明。
3.3.6　管路设计
（1）管路应尽量短，少拐弯，为了达到流量平衡和减少热损，绕行的管路应是冷水管或低温管路；
（2）管路的通径面积应与并联的集热器或集热器组管路通径面积的总和相适应；
（3）当集热器阵列为多排或多层集热器组并联时，为了维修方便，每排或每层集热器组的进出口管道，应设辅助阀门；
（4）设计的系统采用顶水法获取热水时，通常使用浮球阀自动控制提供热水，在使用热水期间，水压应保证符合设计要求，否则此法不宜采用。
3.3.7　控制系统
太阳热水器串并联系统能实现以下功能，具体可根据控制柜的型号、功能来选择，特殊要求可定做。
功能明细：
（1）自动上水（设定水位上水）；
（2）水温水位显示；
（3）自动电加热；
（4）出水断电；
（5）出水增压；
（6）辅助能源加热；
（7）管路定温循环等。
3.3.8　防冻保温、管道支撑(支撑点)
防冻一般采用电热带和保温层结合的方式。保温层材料和厚度可根据当地的气候条件而不同，对北方地区特别是东北和西北，应采用加厚保温层，并设计电热带防冻。
表3－1　室内热水供、回水管保温层厚度
管径DN(㎜)
15～20
25～50
65～100
＞100
保温层厚度(㎜)
20
30
40
50
管路应设计管路支撑，用来承受管道的重量，防止下垂弯曲，支撑应有足够的强度，对于立管的支撑，在2.5米以内应有一个支点；管道在支架上的固定，应在保温前进行，管路如需在保温后固定，应使用硬质保温材料，管道系统中固定支点设置的最大安装距离应符合下表的要求。

表3－2　钢管支架最大间距
公称直径（mm）
15
20
25
32
40
50
70
80
100
125
150
最大距离（m）
保温管路
1.5
2
2
2.5
3
3
4
4
4.5
5
6
不保温管路
2.5
3
3.5
4
4.5
5
6
6
6.5
7
8
表3－3　聚丙烯管的支架间距
公称外径（mm）
20
25
32
40
50
63
75
90
110
立管（m）
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.5
水平管（m）
0.9
1.0
1.2
1.4
1.6
1.7
1.7
1.8
2.0
注：暗敷直埋管道的支架间距可采用1.0～1.5m。
表3－4　聚丁烯管的支架间距
公称外径（mm）
20
25
32
40
50
63
75
90
110
立管（m）
0.6
0.7
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
水平管（m）
0.8
0.9
1.0
1.3
1.6
1.8
2.1
2.3
2.6
表3－5　交联聚乙烯管的支架间距
公称外径（mm）
20
25
32
40
50
63
立管（m）
0.8
0.9
1.0
1.3
1.6
1.8
水平管（m）
0.3
0.35
0.4
0.5
0.6
0.7
表3－6　PVC-C管、铝塑管的支架间距
公称外径（mm）
20
25
32
40
50
63
75
90
110
125
140
160
立管（m）
1.0
1.1
1.2
1.4
1.6
1.8
2.1
2.4
2.7
3.0
3.4
3.8
水平管（m）
0.6
0.65
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
1.3
1.4
1. 5
3.3.9　其它事项
（1）防垢：对水质比较差的地区，应考虑防垢的问题；
（2）避雷：热水系统若不处于建筑物上避雷系统的保护范围之内，应按照GB50057
的规定，增设避雷措施；
（3）风载：系统安装在室外部分特别是高层建筑，应能承受不少于10级风的负载。
3.4　设计实例
3.4.1　用户基本情况：
某一单位集体洗浴，每天下午6:00开始洗，8:00停止，每天洗浴的人数为80人，集热器置于3楼楼顶，淋浴室在一楼。共有20个喷头，楼顶的面积为30m（东西）×10m（南北），请根据以上的数据，设计太阳能热水工程。
3.4.2　用水量的确定
根据《热水供应设计规范》，淋浴用水标准为： 40L（40℃）/（人·d）
所以，每天的总用水量为：40L/人×80人＝3200L
基础水温按15℃计算，则每天将3200升15℃的水加热到40℃所需提供的热量为：
Q=R总用热水量*×水的比热×需要提升的温度
Q＝3200×（水的比热）4.2×103×（40－15）
＝3.36×108（J）
3.4.3　确定太阳热水器的规格及数量（）
选用工程机系列中型号为HSWI-30TT16-45°的单机，其容量为225L/台，则热水器的台数为：
n＝每日用水量/热水器容量
＝3200÷225
＝15（台）
3.4.4　太阳热水器的摆放和陈列
HSWI-30TT16-45°单机的外形尺寸为：2230mm×1415mm×1243mm（东西×南北×高度）
楼顶的面积为：30m（东西）×10m（南北）
方案一：将太阳热水器沿东西方向摆成3排，每排5台，排与排之间的间距为2.0m，每排中相邻两台太阳热水器之间的间距为0.2m。
则东西方向：2.23×5+0.2×4=11.95m<30m,
南北方向：1.415×3＋2.0×2＝8.245m<10m，符合要求。
热水器布置如图3－5所示。
方案二：将热水器沿东西方向摆成两排，前排（南面）7台，后排（北面）8台，排与排之间的间距为2.5m，每排中相邻两台之间的间距为0.2m
则东西方向：2.23×8＋0.2×7＝19.24m<30m，
南北方向：1.415×2＋2.5＝5.33m<10m，符合要求。
热水器布置如图3－6所示。
3.4.5　工程水箱的选择
（1）水箱的容量
由1.3.2中知，总用水量为3200L，即3.2吨，选用3吨的水箱。
（2）电加热功率确定
采用电作为辅助能源，若在下午2：00的时候水箱中的水温还没有达到40°C，就启动电加热；所选用的电加热的功率必须保证在连续阴雨的天气里，可以将3.2吨15℃的水加热到40℃。因此，电加热的功率为：
P＝Q/t
＝3.36×108J/（4×3600）秒
＝23333.33W
≈24KW
3.4.6　管路设计
方案一系统的管路连接如图3－5所示：（2排2.5 。3排2米） 排间距的计算？
图3－5　设计方案一
方案二系统的管路连接如图3－6所示。
（1）浮球箱
方案一中浮球箱选用DN15的浮球阀，方案二中浮球箱选用DN25的浮球阀。
图3－6　设计方案二
（2）管路连接和保温
分支管路上选用DN25管道，总管路选用DN32或DN40的管道；室外和室内的管路均需采取保温措施，采用发泡聚乙烯保温材料作保温层并结合电加热带保温，外防护层采用0.3mm和0.5mm的镀锌板或镀铝锌板。
（3）增压泵
工程保温水箱放置在三楼,用水点在一楼,并且是集中用水，喷头较多，水压较小，所以在管路中设置增压泵。
（4）管路连接特点
和浮球箱连接的那一台太阳热水器联入管路时均采用低进高出的方式，即进水管位置低，出水管位置高，这样可以减缓混水。
3.4.7　系统控制
（1）第一次上水时，将F2阀门关闭，F1阀门打开，冷水通过浮球箱进入太阳热水器，太阳热水器水满之后，浮球阀关闭，停止上水。
（2）经过一天的阳光照射后，打开阀门F1，太阳热水器中的热水进入工程保温水箱，同时冷水补充到太阳热水器中，这样第二天晚上即可以使用热水，阀门F1以后将永远打开，形成良性循环。
（3）增压泵、电加热、水温、水位探头都由控制仪控制。增压泵下午6点定时启动。
（4）电加热定时启动；下午2点的时候，若水温低于40°C，则启动电加热，达到40℃时，停止电加热。
3.5　设计常见问题处理
3.5.1　在小型太阳热水器串并联系统中，不使用保温水箱，辅助电加热装在热水
器水箱中，如图3－7所示。这种应用方式应根据使用情况灵活调整。
a　此种类型易出现的问题：
（1）用水喷头多、用水量大。热水器串联，其一个出口（口径为一吋）偏小，满足不了要求，致使用水时热水流量太小，使用效果不好；
图3－7　小型太阳热水器串并联系统

（2）由于热水器太少，为了避免冷水混的太快,有些设计将管路连接成低进高出,这样又造成用水时靠水位控制箱与热水器的落差顶水进行，水的流量太小；
（3）串联关系的太阳热水系统，使用时或停止使用时大部分情况下每个热水器的水温都不相同，而显示并控制电加热的传感器只能装在一个热水器中，造成控制困难，使用效果差。
b　解决措施：
（1）若用户要求24小时提供热水，则必须采用一个保温水箱，且带有电加热装置或辅助能源装置，由控制系统实施控制；
（2）若用户每天定时使用热水，则可采用热水器并联，通过水位控制箱上水。用水时水位控制箱关闭（可手动或自动），以免混水；用水完毕打开水位控制箱上水。每个热水器带有电加热装置，通过控制器控制，由于并联关系，传感器安装在哪个热水器中都可以（如图3－8所示）。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3－8
3.5.2　将串并联大型太阳热水系统进行循环，且热水器带有电加热装置，如图3－9所示，原理图及运行说明如下：
图3－9
a　运行说明：
（1）冷水补水时补进保温水箱中，保温水箱中的水再进入水位控制箱，通过水位控制箱保持水箱的水常满；
（2）当热水器水箱中的水热之后，循环泵启动，将热水循环进保温水箱，其冷水再补充进来；
（3）热水器中电加热可根据需要，自动启动。
b　此时易出现的问题:
（1）传感器安装在系统中有代表性的一台中，但在循环泵启动时，水很快被抽走，而冷水补充不及时，此时若电加热在工作，则造成干烧，水位频繁变化，电加热频繁启动，系统容易出现故障；
（2）同样的问题,每个水箱的温度不同，加热时温度不一致，造成能源的浪费。
c　解决措施：
（1）电加热装置全部装在保温水箱中；
（2）取消循环功能，采用自动补水功能。

第二节　联集管集热器太阳热水系统
联集管集热器太阳热水系统由联集管集热器、管路、循环泵和控制系统组成，它采用的是主动循环，可实现多种控制功能。市场上对这种类型的系统需求越来越多，其主要特点是，系统可占用较少的楼顶空间，方便实现多种控制功能，并节约成本。
3.6　系统原理
（1）其典型的原理如图3－10所示：
图3－10　典型联集管集热器太阳热水系统
（2）系统运行过程如下：
a、控制系统显示水箱的水温和集热器的温度；
b、自动上水：①保温水箱的上水可以通过浮球箱实现自动上水，浮球箱与水箱连通，保持保温水箱中的水常满；②保温水箱与恒温水箱在稍低于4个水位的位置利用管道连通，两个水箱的最高水位高度一致，使恒温水箱的水位与保温水箱水位一致；
c、温差循环：①在集热器出水口处和保温水箱中各安装一个温度探头，当集热器的温度T1高于水箱的温度T2，达到控制系统设定的启动温差时（即T1－T2≥ΔT启动），控制系统控制循环泵启动，保温水箱中的低温水进入到联集管集热器中，集热器中的相对高温水被顶回保温水箱，使保温水箱中的水温升高，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T1－T2≤ΔT停止），循环泵停止运行，如此反复进行，将热量传递到水箱，使水箱中的水温度不断升高；②当保温水箱中的温度T3高于恒温水箱的温度T2达到设定值时，循环泵P2启动，当二者的差值降到系统设定的停止温差时，循环泵停止运行；
d、管路循环：管路循环主要是针对室内的热水管道而言，为了保证一开即有热水同时减少无效冷水的浪费，必须安装热水回水管路，采取管路循环措施。管路循环可以采用定时循环方式，也可以采用定温循环方式。当采用定温循环时，在室内热水回水管路中适当的位置安装温度探头和循环泵，设置一个温度范围来控制泵的运行。当探测点的温度T4低于设定值（如35℃）时，启动管路循环的循环泵P3，将管路中的低温水打入恒温水箱，同时恒温水箱中的高温水进入管道，当探测点的温度达到设定值（如40℃）时，停止循环泵。
e、恒温控制（自动电加热）：恒温水箱中安装电热管，当探测到的恒温水箱中的水的温度低于设定温度的时候，启动电加热管加热，达到设定温度后，加热停止；
f、防冻电热：冬季，当保温水箱内的温度T2低于5℃，电加热启动，当达到10℃，辅助电热停止。
g、防冻循环：室外管道（保温水箱和集热器之间）在寒冷的冬天可能被冻，因此必须有防冻循环功能。当集热器安装的温度探头探测到温度T5≤10℃的时候，启动循环泵将保温水箱中的热水打进集热器，防止管路结冻。
以上是典型的联集管集热器太阳热水系统的运行原理说明，根据客户的要求，还可以设计符合客户要求的控制系统功能，下面将对联集管集热器太阳热水系统做详细的介绍。
3.7　常用系统型式
3.7.1　典型的太阳热水系统，其原理图如图3-10所示，运行说明如前。这种系统采用两个水箱，应用于全日集中热水供应的场合，对于宾馆非常适用。
3.7.2　单水箱联集管集热器太阳热水系统
（1）系统运行原理如图3－11所示
（2）运行说明
这种系统适合用于对用水要求不太严格的场合，如企事业单位职工洗浴、学校学生洗浴等场合。这种系统的运行方式如下：
a　自动上水：上水通过电磁阀（或浮球箱）控制，可定时上水，也可以通过水位控制上水；

图3－11　单水箱联集管太阳热水系统

b　温差循环：保温水箱和集热器进行温差集热循环，当T2－T1≥ΔT启动的时候，启动循环泵P1将保温水箱中的相对的低温水打入到集热器中，同时集热器中的高温水被顶出，流入保温水箱，集热器中的水温慢慢降低，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T2－T1≤ΔT停止），循环泵P1停止运行；
c　防冻循环：当温度探头探测到T3≤10℃的时候，循环泵P1启动将保温水箱中相对高温水打入到集热器中，集热器中的低温水流入到保温水箱中，以免管路冻堵；
d　管路循环：管路循环主要是针对室内的热水管道而言，为了保证一开即有热水同时减少无效冷水的浪费，必须安装热水回水管路，采取管路循环措施，管路循环可以采用定时循环方式或延时循环；
e　定时电热：在保温水箱中装有电加热管，设置钟控加热，在用水前两个小时检测水箱温度，若T2<45℃时，启动电加热，当T2≥50°C的时候，停止加热，保证热水供应。
3.7.3　三水箱联集管集热器太阳热水系统
（1）系统原理如图3－12所示
系统采用三个水箱：一个为集热水箱，置于楼面；一个为保温水箱，置于楼下设备间；一个作为恒温水箱，置于楼下设备间内。
a、控制系统显示水箱的水温和集热器的温度；
图3－12　三水箱联集管太阳热水系统
b、自动上水：①保温水箱的上水可以通过浮球箱（或电磁阀）实现自动上水，浮球箱与水箱连通，保持保温水箱中的水常满；②保温水箱与恒温水箱在稍低于4个水位的位置利用管道连通，两个水箱的最高水位高度一致，使恒温水箱的水位与保温水箱水位一致；③保温水箱与集热水箱间顶水运行，P2将保温水箱中的水打入集热水箱，水满后回流到保温水箱，保持集热水箱水位常满；
c、温差循环：①在集热器出水口处和集热水箱中各安装一个温度探头，当集热器的温度T1高于水箱的温度T2，达到控制系统设定的启动温差时（即T1－T2≥ΔT启动），控制系统控制循环泵启动，保温水箱中的低温水进入到联集管集热器中，集热器中的相对高温水被顶回集热水箱，使集热水箱中的水温升高，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T1－T2≤ΔT停止），循环泵停止运行，如此反复进行，将热量传递到水箱，使水箱中的水温度不断升高；②当集热水箱中的温度T2高于保温水箱的温度T3达到设定值时，循环泵P2启动，当二者的差值降到系统设定的停止温差时，循环泵停止运行；③当保温水箱中的温度T3高于恒温水箱的温度T4达到设定值时，循环泵P3启动，当二者的差值降到系统设定的停止温差时，循环泵停止运行；
d、管路循环：管路循环主要是针对室内的热水管道而言，为了保证一开即有热水同时减少无效冷水的浪费，必须安装热水回水管路，采取管路循环措施。管路循环采用定温循环方式，在室内热水回水管路中适当的位置安装温度探头和循环泵，设置一个温度范围来控制泵的运行。当探测点的温度T5低于设定值（如35℃）时，启动管路循环的循环泵P4，将管路中的低温水打入恒温水箱，同时恒温水箱中的高温水进入管道，当探测点的温度达到设定值（如40℃）时，停止循环泵。
e、恒温控制（自动电加热）：恒温水箱中安装电热管，当探测到的恒温水箱中的水的温度低于设定温度（如45℃）的时候，启动电加热管加热，达到设定温度（如50℃）后，加热停止；
f、防冻电热：冬季，当集热水箱内的温度T2低于5℃，电加热启动，当达到10℃，辅助电热停止。
g、防冻循环：室外管道（集热水箱和集热器之间）在寒冷的冬天可能被冻，因此必须有防冻循环功能。当集热器安装的温度探头探测到温度T6≤10℃的时候，启动循环泵将集热水箱中的热水打进集热器，防止管路结冻。
3.7.4　具有众多辅助功能的联集管集热器太阳热水系统
（1）太阳热水系统与锅炉并联，如图3－13所示
如图3-13所示，将燃油（气）锅炉并联在太阳热水系统中作为辅助能源，在太阳能不足时补充能量。用燃油锅炉作为辅助能源有很多的优点，如升温快，成本比用电作为辅助能源低等，因此在太阳热水系统中得到了较广泛的应用。这种系统还可以在恒温水箱中安装电热管作为备用的辅助能源，在锅炉出现故障的时候，可以启动电加热作为辅助能源。其它的常规功能如集热循环、防冻循环、管路循环等和双水箱太阳热水系统是一样的。
燃油锅炉和恒温水箱并联，通过温度探头探测到的恒温水箱中的水温来决定燃油锅炉的启动和停止，当恒温水箱中的水温低于设定的温度的下限的时候，燃油锅炉和恒温水箱之间的泵启动，将恒温水箱中的水送入燃油锅炉，同时燃油锅炉自动喷油点火，将水加热，加热后的水又进入到恒温水箱，恒温水箱中的水温升高，当水温升高到设定的温度的上限的时候，燃油锅炉停止运行。

图3－13

图3－14
（2）太阳热水系统与锅炉串连，如图3－14所示
这种系统的特点是将燃油锅炉串连在贮热水箱和恒温水箱之间，通过泵将贮热水箱中的水送入到燃油锅炉，再经燃油锅炉进入恒温水箱。燃油锅炉探测进入炉中的水的温度，当水的温度低于恒温水箱设定的温度的时候，就启动锅炉加热，否则水只通过锅炉
而不被加热。
3.8　设计原则
在进行联集管集热器太阳热水系统设计时，一般遵循下面的设计思路和原则：
3.8.1　调查用户基本情况
（1）环境条件：包括月均日辐照量、地处纬度、日照时间、环境温度等。
（2）用水条件：用水量（总用水量/天），用水方式（用水时间，用水频次），用水温度，用水位置（水位落差），用水流量。

（3）场地情况：场地面积、场地形状、建筑物承载能力，遮挡情况。
（4）水电情况：水压、电压、供应情况、冷水水温。
3.8.2　确定系统的用水量及温度要求
一般家庭用水可根据《热水供应设计规范》，按淋浴用水每天每人次40升(40℃)、盆浴用水每人次100升（40℃）选择。对于其它用水场合如学校、宾馆、医院等集体用水，可根据用水频次、用水方式，参考相应的规范标准和用户共同确定。
3.8.3　联集管集热器的集热面积
在确定联集管集热器的面积的时候要考虑到一下几个问题：
（1）系统需要的总热量Q，要考虑到损失（包括管道、水箱、排气等的散热）。
（2）辐照量：太阳热水系统一般是以春秋季节为设计依据的，因为如果以冬季为设计依据则系统的投资太大，在其它的三个季节里尤其是夏季能量盈余太多，造成浪费，而如果以夏季为设计依据的话，集热面积小，系统的投资也相应降低，但是在其它季节尤其冬季，能量严重不足，影响使用。我们选择用户所在地的3月份和9月份的平均月辐照量的均值H作为依据来设计。
（3）日照时间T：用户所在地春秋季节每天的日照时间，多为6～8小时。
（4）联集管集热器的效率，我公司生产的联集管集热器的效率在55％左右。
则集热面积为：
M＝Q÷（H÷30×55％×T×3600）
＝Q/60H T
参考：
集热面积可根据用户的每日用水量和用水温度来确定，按下式计算：
式中：Ac——直接系统集热器采光面积，㎡；
Qw——日用水量，kg；
tend——储水箱内水的终止温度，℃；
Cw——水的比热， KJ/（㎏·℃）；
ti——水的初始温度，℃；
JT——当地春分或秋分所在月集热器受热面上日均辐照量，KJ/㎡；
f——太阳能保证率，无因次；
ηcd——集热器全日集热效率，国标经验值取0.45～0.6；。
ηL——管路及储水箱热损失率，无量纲；国标经验值取0.2～0.25。
3.8.4　热水器的摆放和陈列
（1）方向：集热器摆放面向正南或正南偏西5°；
（2）集热器东西方向之间间隔一般为200mm，以便连接管路；热水器南北方向的间距按照下式计算：

式中：——前后两排热水器的间距，m；
——热水器高度，m；
——冬至日正午太阳高度角。
（3）热水器通过串并联组成系统，考虑到水流阻力因素，串联的热水器一般不超过六台；
（4）同程：集热器组应按同程方式布置成并联，即应使每个集热器的传热介质流入路径与回流路径长度相同，以使流量平均分配；
（5）辅助阀门；
（6）防水：在屋面作混凝土基础或在热水器支腿下面垫1.5mm橡胶板，以免破坏防水。
3.8.5　工程水箱选择及摆放
（1）工程水箱容量根据系统总水量确定，当系统总水量较少时（5吨以下），其水箱容量建议与总水量一致，当系统总水量较大时（5吨以上），水箱容量可适当小一些，约在总水量的50～70％之间，在保证使用效果的前提下有利于降低成本；
（2）工程水箱主要储存热水，其应摆放在承重梁或承重墙上，一般要制作水箱基础，以便于承重和防水；
（3）当需要水箱有特殊功能，如辅助热源、盘管换热、水嘴位置、大小调整、出水增压、管路循环等，要在设计和报货中注明，并与公司联系，以便于生产。
3.8.6　管路设计
（1）管路应尽量短，少拐弯，为了达到流量平衡和减少热损，绕行的管路应是冷水管或低温管路；
（2）管路的通径面积